JP6121849B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents
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Description
一般に、インクジェットヘッドは、複数のノズル孔からなるノズル列を有するノズルプレートと、ノズル孔に連通する複数のチャネルを有するアクチュエータプレートと、各チャネルそれぞれに連通する共通インク室を有するカバープレートと、を備えている。この構成によれば、チャネル内を収縮させてチャネル内の圧力を上昇させることで、チャネル内のインクをノズル孔から吐出させ、被記録媒体上にインク滴を着弾させるようになっている。
この場合、インクジェットヘッドと被記録媒体とを相対移動させながら、ノズル孔からインク滴を吐出するとともに、被記録媒体上におけるインク滴の着弾位置に向けて光束を照射する。発光部から出射される光束は、レンズで集光された後、被記録媒体上に着弾したインク滴に照射される。
これにより、インク滴を瞬時に乾燥させることができるので、被記録媒体上に着弾したインク滴が濡れ拡がるのを抑制し、微細な印字パターンを得ることができるとされている。
その結果、インク滴への光束の照射精度が低く、インク滴の乾燥に時間がかかるため、インク滴が被記録媒体上に濡れ広がるおそれがある。
この構成によれば、ノズルプレートに液体レンズを配設できるので、ノズル孔と照射ノズル(液体レンズ)との位置精度を向上できるとともに、光束の照射位置とインク滴の着弾位置との距離を短縮できるとされている。
(1)本発明に係る液体噴射ヘッドは、液体を噴射する複数の噴射孔が並設されるとともに、光透過性を有する噴射孔プレートと、前記噴射孔プレートに積層されるとともに、複数のチャネルが間隔をあけて並設されたアクチュエータプレートと、を備え、前記複数のチャネルは、液体が充填されるとともに、前記噴射孔に各別に連通する複数の噴射チャネルと、隣接する前記噴射チャネル間にそれぞれ形成され、内部が気体で満たされたダミーチャネルと、を有し、前記ダミーチャネル内には、前記ダミーチャネル内に満たされた気体を伝搬媒質として、前記噴射孔から噴射された液体を加熱するための光束が前記噴射孔プレートに向けて伝搬されることを特徴としている。
特に、本発明の構成によれば、既存のダミーチャネルを光束の導光部として機能させることで、光ファイバ等、別体の導光部材を用いることなく光束の出射位置を噴射孔に接近させることができる。
また、ダミーチャネル内に光束を伝搬させることで、従来のように光束を液体に透過させる場合に比べて、光束の光軸や焦点を安定させることができる。
その結果、光束の照射精度を向上できるため、噴射孔から噴射された液体に対して所望の光エネルギーを与えることができる。よって、液体を効率的に乾燥させ、液体が被記録媒体上に濡れ広がるのを確実に抑制できる。
また、別体のレーザヘッドを用いる構成に比べて、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
この構成によれば、アクチュエータプレートのうち、噴射孔プレート側とは反対側に光源を搭載することで、ダミーチャネルと光源との間に別体の導光部を設ける必要がないので、簡素化及び低コスト化を図ることができる。
この構成によれば、光束を集光する光学部を噴射孔プレートに配設することで、液体に対してより効率的に光エネルギーを与えることができる。そのため、液体をより効率的に加熱できる。
この構成によれば、既存の駆動電極を反射膜として用いることで、コスト増を抑制した上で、ダミーチャネル内において、光束を効率的に伝搬できる。
この構成によれば、光束が平行光変換素子において、平行光に変換された後、ダミーチャネル内を伝搬するので、ダミーチャネル内でのビーム径の広がりを抑制できる。そのため、光源から噴射孔プレートまでの距離のトレランスが向上し、設計・製造が容易になる。
この構成によれば、上記本発明の液体噴射ヘッドを備えているため、微細な印字パターンを得ることができる。
図1はプリンタ1の概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態のプリンタ1は、被記録媒体Sを搬送する一対の搬送手段2,3と、被記録媒体Sに図示しないインク(液体)を吐出するインクジェットヘッド4と、インクジェットヘッド4にインクを供給するインク供給手段5と、インクジェットヘッド4を被記録媒体Sの搬送方向(Y方向)と直交する走査方向(X方向)に走査させる走査手段6と、インクジェットヘッド4から吐出されるインク(インク滴)を加熱するインク滴加熱手段7と、を備えている。なお、被記録媒体Sとしては、紙や、樹脂フィルム、ガラス、セラミックス等、種々の材料を用いることができる。
そして、一対の搬送手段2,3のグリッドローラ2a,3aを回転させることで、被記録媒体SをY方向に沿った矢印A方向に搬送することが可能とされている。
図示の例では、インクタンク10は、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(B)の四色のインクがそれぞれ収容されたインクタンク10Y,10M,10C,10BがY方向に並んで配置されている。インク配管11は、例えば可撓性を有するフレキシブルホースであり、インクジェットヘッド4を支持するキャリッジ16の動作(移動)に追従可能とされている。
駆動機構17は、一対のガイドレール15の間に配置され、X方向に間隔をあけて配置された一対のプーリ18と、これら一対のプーリ18の間に巻回されてX方向に移動する無端ベルト19と、一方のプーリ18を回転駆動させる駆動モータ20と、を備えている。
次に、上述したインクジェットヘッド4について詳述する。図2は、インクジェットヘッド4の斜視図である。なお、インクジェットヘッド4Y,4M,4C,4Bは、供給されるインクの色以外は何れも同一の構成からなるため、以下の説明では、まとめてインクジェットヘッド4として説明する。
図2に示すように、インクジェットヘッド4は、キャリッジ16に固定される固定プレート25と、この固定プレート25上に固定されたヘッドチップ26と、インク供給手段5から供給されたインクを、ヘッドチップ26の後述するインク導入孔41a(図3参照)にさらに供給するインク供給部27と、ヘッドチップ26に駆動電圧を印加する制御手段28と、を備えている。
なお、これら流路部材31、圧力緩衝器32及びインク連結管33により、上述したインク供給部27を構成している。
そして、これら制御回路35が搭載されたIC基板36、及びフレキシブル基板37により、上述した制御手段28を構成している。なお、IC基板36には、上述した制御ユニット8がフレキシブル基板21(図1参照)を介して接続される。
続いて、ヘッドチップ26について詳細に説明する。図3はヘッドチップ26の斜視図であり、図4はヘッドチップ26の分解斜視図である。
図3、図4に示すように、ヘッドチップ26は、アクチュエータプレート40、カバープレート41、支持プレート42及びノズルプレート43を備え、後述する吐出チャネル(噴射チャネル)45Aの長手方向(Y方向)端部に臨むノズル孔43aからインクを吐出する、いわゆるエッジシュートタイプとされている。
図4〜図6に示すように、アクチュエータプレート40は、分極方向が厚さ方向(X方向)で異なる第1アクチュエータプレート40A及び第2アクチュエータプレート40Bの、2枚のプレートを積層した積層プレートとされている(いわゆる、シェブロン方式)。これら第1アクチュエータプレート40A及び第2アクチュエータプレート40Bは、ともに厚さ方向(X方向)に分極処理された圧電基板、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)セラミックス基板であり、互いの分極方向を反対に向けた状態で接合されている。
また、本実施形態では、アクチュエータプレート40におけるZ方向の両側に位置する側面のうち、ノズルプレート43に対向する側面を前端面40aと称し、この前端面40aとはZ方向の反対側に位置する側面を後端面40bと称する。
複数のチャネル45のうち、吐出チャネル45Aは、アクチュエータプレート40の後端面40b側に開口することなく、前端面40a側にだけ開口した状態で形成されている。なお、図示の例において、吐出チャネル45Aの後端面40b側は、後端面40bに向かうに従い漸次浅くなっている。一方、ダミーチャネル45Bについては、アクチュエータプレート40の前端面40a側だけでなく、後端面40b側にも開口するように形成されている。
なお、各コモン端子51はそれぞれ電気的に独立するようにパターン形成されている。また、本実施形態のコモン電極50は、上述したように吐出チャネル45Aにおける内壁面の全体に形成されているので、一対の側壁面上に形成された側面電極50aと、底壁面上に形成され、側面電極50a同士を接続する底面電極50bと、で断面U字状に形成された電極とされている。
図6に示すように、このインク導入孔41aには、上述した流路部材31(図2参照)を介して供給されてきたインクを吐出チャネル45A内に導入させ、かつダミーチャネル45B内への導入を規制する複数のスリット55aが形成されたインク導入板55が形成されている。つまり、複数のスリット55aは、吐出チャネル45Aに対応する位置に形成され、各吐出チャネル45A内にのみインクを充填することが可能とされる。
ノズルプレート43は、光透過性を有する材料、例えばポリイミド等の樹脂材料からなるフィルム状とされている。なお、樹脂材料の他に、ガラス等により形成してもよく、また後述するレーザ光源60として、波長が赤外領域のものを利用する場合には、赤外光に対して透明な材料であるシリコンにより形成しても構わない。
図7はアクチュエータプレート40を後端面40b側から見た斜視図であり、図8は図6のC−C線に相当する断面図である。
ここで、図7、図8に示すように、上述したインク滴加熱手段7は、光束を出射するレーザ光源60と、ノズルプレート43に形成されるとともに、レーザ光源60から出射された光束を導光する光学部62と、を有している。
レーザ光源60は、アクチュエータプレート40の後端面40b上において、各発光部60aがダミーチャネル45B内に各別に露出するように固定されている。本実施形態では、図6に示すように、Z方向から見た平面視において、吐出チャネル45A内に連通するノズル孔43aと、ダミーチャネル45B内に露出する発光部60aと、がY方向に沿って並設されている。そして、一の発光部60aは、一の発光部60aに対してY方向の一方側に隣接する一のノズル孔43a(吐出チャネル45A)に対応しており、一のノズル孔43aから吐出されるインク滴を加熱しうるように構成されている。
次に、上述したように構成されたプリンタ1を利用して、被記録媒体Sに文字や図形等を記録する場合について以下に説明する。
図1に示すように、例えば、一対の搬送手段2,3により被記録媒体SをY方向に搬送させながら、走査手段6によりキャリッジ16を介して各インクジェットヘッド4をX方向に往復移動させる。そしてこの間に、各インクジェットヘッド4より4色のインクを被記録媒体Sに適宜吐出させることで、文字や画像等の記録を行うことができる。
キャリッジ16(図1参照)によって往復移動が開始されると、制御ユニット8は例えばヘッドチップ26の制御回路35、及びレーザ光源60のレーザ駆動回路に対して画像データを送信する。
まず、ヘッドチップ26の制御回路35は送信された画像データに基づいて、各吐出チャネル45Aのコモン端子51及びダミー端子53のうち、駆動させる吐出チャネル45Aのコモン端子51及びダミー端子53間に電圧を印加する。すると、駆動壁46に厚みすべり変形が生じ、駆動壁46のうち、吐出チャネル45Aを画成する駆動壁46がダミーチャネル45B側へ突出するように変形する。すなわち、本実施形態のアクチュエータプレート40は、厚さ方向(X方向)に分極処理された2枚のアクチュエータプレート40A,40Bが積層されているため、駆動電圧を印加することで、駆動壁46のZ方向中間位置を中心にしてV字状に屈曲変形する。これにより、吐出チャネル45Aがあたかも膨らむように変形する。
このように、図7、図9(a)に示すように、2つの駆動壁46の圧電厚み滑り効果による変形によって、吐出チャネル45Aの容積が増大する。そして、吐出チャネル45Aの容積が増大したことにより、インク導入孔41a内まで導かれているインクが吐出チャネル45A内に誘導される。そして、吐出チャネル45Aの内部に誘導されたインクは、圧力波となって吐出チャネル45Aの内部に伝搬し、この圧力波がノズル孔43aに到達したタイミングで、コモン端子51とダミー端子53に印加した駆動電圧をゼロにする。これにより、駆動壁46の変形が元に戻り、一旦増大した吐出チャネル45Aの容積が元の容積に戻る。この動作によって、吐出チャネル45Aの内部の圧力が増加し、インクが加圧される。その結果、インクをノズル孔43aから吐出させることができる。この際、インクはノズル孔43aを通過する際に、液滴状のインク滴となって吐出される。
この構成によれば、既存のダミーチャネル45Bを光束の導光部として機能させることで、光ファイバ等、別体の導光部材を用いることなく光束の出射位置をノズル孔43aに接近させることができる。
また、ダミーチャネル45B内に光束を伝搬させることで、従来のように光束を液体に透過させる場合に比べて、光束の光軸や焦点を安定させることができる。
その結果、光束の照射精度を向上できるため、所望の光エネルギーをインク滴に与えることができる。よって、インク滴を効率的に乾燥させ、インク滴が被記録媒体S上に濡れ広がるのを確実に抑制できる。
また、既存のダミーチャネル45Bを光束の導光部として機能させることで、別体のレーザヘッドを用いる構成に比べて、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
また、ノズルプレート43自体に光学部62を形成することで、ノズル孔43aに対する光学部62の位置決め精度を向上させることができるとともに、光束の光軸や焦点を安定させることができる。
また、上述した実施形態では、インクジェットヘッド4が複数搭載された複数色用のプリンタ1について説明したが、これに限られない。例えば、インクジェットヘッド4が一つの単色用のプリンタ1としても構わない。
また、上述した実施形態では、半導体アレイレーザをレーザ光源60に用いる構成について説明したが、これに限らず、YAGレーザや、炭酸ガスレーザ等を用いても構わない。
さらに、上述した実施形態では、発光部60aをノズル数と同数設ける構成について説明したが、これに限られない。例えば、複数のノズル孔43aに対して1つの発光部60aを設けてもよい。
この構成によれば、発光部60aから出射された光束が平行光変換素子において、平行光に変換された後、ダミーチャネル45B内を伝搬するので、ダミーチャネル45B内でのビーム径の広がりを抑制できる。そのため、レーザ光源60からノズルプレート43(光学部62)までの距離のトレランスが向上し、設計・製造が容易になる。また、光学部62のレンズ径を小さくできるので、設計の自由度を向上させることができる。
また、上述した実施形態では、ダミーチャネル45B内が空気で満たされている構成について説明したが、これに限らず、空気以外の気体であっても構わない。
ここで、上述した実施形態では、ダミーチャネル45Bの内壁面のうち、Y方向に向かい合う一対の側壁面に、その全面に亘ってダミー電極52がそれぞれ形成されているため、このダミー電極52を反射膜として機能させても構わない。これにより、既存のダミー電極52を反射膜として用いることで、コスト増を抑制した上で、ダミーチャネル45B内において、光束を効率的に伝搬できる。
一方、分波器についても、AWGを用いることが可能であり、連結用光ファイバを伝搬して合波器から供給された波長多重レーザ光を、それぞれ波長の異なる光束として出力するようになっている。分波器には、各吐出チャネル45A内に導かれる光ファイバ(分波用光ファイバ)が接続されており、これら分波用光ファイバから波長の異なる光束が出射されるようになっている。
この構成によれば、ノズルプレート43の外面に付着したインクが光学部62に到達するのを抑制できるので、光学部62が汚れるのを抑制できる。なお、インクガード74は、ノズル孔43aと光学部62との間を仕切る構成であれば、適宜設計変更が可能である。
例えば、図13に示す光学部75は、ノズル孔43aに向けて傾斜する傾斜面75aを有するプリズム形状とされている。この構成によれば、光学部75内に入射した光束は、傾斜面75aにおいて反射された後、外部に向けて出射される。この場合、例えば光学部75の傾斜面において、光束をノズル孔43a側に向けて反射させることで、インク滴の吐出軌跡と光束を接近させることができる。
さらに、ノズルプレート43の内面に、光学部(例えば、光学部62)を形成しても構わない。この場合には、光学部が外部に曝されないので、光学部にインク滴等が付着するのを抑制できる。
また、光学部62を設けない構成としてもよく、ノズルプレート43に別体の光学部を設けても構わない。
この場合には、例えばアクチュエータプレート40の他方の主面側にノズルプレート43を重ね合せ、吐出チャネル45Aの長手方向中央部分にノズル孔43aに連通する連通口を形成する等すれば良い。
また、インクに加わる圧力の方向と、インク滴の吐出方向と、を同一方向とした、いわゆるルーフシュートタイプのヘッドチップ26に本発明を適用しても構わない。
2,3…搬送手段(移動機構)
4,4Y,4M,4C,4B…インクジェットヘッド(液体噴射ヘッド)
6…走査手段(移動機構)
40…アクチュエータプレート
40A…第1アクチュエータプレート
40B…第2アクチュエータプレート
41…カバープレート
43…ノズルプレート(噴射孔プレート)
43a…ノズル孔(噴射孔)
45A…吐出チャネル(噴射チャネル)
45B…ダミーチャネル
52…ダミー電極
60…レーザ光源(光源)
60a…発光部
62…光学部
71…グレーデッドインデックスファイバ(平行光変換素子)
S…被記録媒体
Claims (6)
- 液体を噴射する複数の噴射孔が並設されるとともに、光透過性を有する噴射孔プレートと、
前記噴射孔プレートに積層されるとともに、複数のチャネルが間隔をあけて並設されたアクチュエータプレートと、を備え、
前記複数のチャネルは、
液体が充填されるとともに、前記噴射孔に各別に連通する複数の噴射チャネルと、
隣接する前記噴射チャネル間にそれぞれ形成され、内部が気体で満たされたダミーチャネルと、を有し、
前記ダミーチャネル内には、前記ダミーチャネル内に満たされた気体を伝搬媒質として、前記噴射孔から噴射された液体を加熱するための光束が前記噴射孔プレートに向けて伝搬されることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 前記アクチュエータプレートのうち、前記噴射孔プレート側とは反対側には、光束を出射する光源が搭載され、
前記光源は、前記複数のダミーチャネルに各別に対応する複数の発光部がアレイ状に配列されてなるアレイレーザであることを特徴とする請求項1記載の液体噴射ヘッド。 - 前記噴射孔プレートのうち、前記ダミーチャネルに対応する部分には、前記ダミーチャネル内を伝搬した光束を集光する光学部が配設されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の液体噴射ヘッド。
- 前記アクチュエータプレートは、前記チャネルの並設方向及び延在方向に直交する厚さ方向に分極されるとともに、互いの分極方向を反対に向けて接合された第1アクチュエータプレート及び第2アクチュエータプレートを備え、
前記複数のダミーチャネルの内壁面には、駆動電圧を印加する駆動電極がそれぞれ形成され、
前記ダミーチャネル内を伝搬する光束は、前記駆動電極で反射されながら、前記噴射孔プレートに導かれることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の液体噴射ヘッド。 - 前記アクチュエータプレートのうち、前記噴射孔プレート側とは反対側には、光束を出射する光源が搭載され、
前記光源と前記ダミーチャネルとの間には、前記ダミーチャネル内に向けて出射される光束を平行光に変換する平行光変換素子が配設されていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載の液体噴射ヘッド。 - 請求項1記載の液体噴射ヘッドと、
前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、を備えていることを特徴とする液体噴射装置。
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